JP2010052739A - 金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンクおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タンク内面に配置される金属ライナーを構成する金属ライナー部材どうしの継ぎ目のすき間をなくして、金属ライナー部材どうしを接合した部分の腐食性物質による腐食を防止できる金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンクおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】筒状の金属ライナー部材３ａの環状端面とドーム状の金属ライナー部材３ｂ、３ｃの環状端面とを突き合せた部分の外周面の全周を覆うように金属製の当て板４を配置し、筒状の金属ライナー部材３ａの内側から突き合せた部分の内周面の全周に対して溶接を行なって、当て板４とともに突き合せた金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃを接合させて金属ライナー３を形成し、金属ライナー３の外表面に繊維強化樹脂２を一体化させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンクおよびその製造方法に関し、さらに詳しくは、タンク内面に配置される金属ライナーを構成する金属ライナー部材どうしの継ぎ目のすき間をなくして、金属ライナー部材どうしを接合した部分の腐食性物質による腐食を防止できる金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンクおよびその製造方法に関するものである。

航空機に設置されるウェストタンク等では、軽量化に対しては金属材料よりも樹脂材料を用いることが好ましいが、収容物の漏出を防止するには、樹脂材料よりも金属材料の方がシール性に優れている。そこで、内面に薄肉の金属ライナーを設けることによりシール性を確保し、金属ライナーの外表面を繊維強化樹脂で覆って補強した繊維補強樹脂タンクが用いられている。

図６、図７に例示するように、内面の金属ライナー３を繊維強化樹脂２によって補強した従来のタンク１Ａは、筒状の金属ライナー部材３ａの両端部にドーム状の金属ライナー部材３ｂ、３ｃを接合して形成した金属ライナー３と、金属ライナー３の外表面を被覆する繊維強化樹脂２とを一体化した仕様になっている。

そして、筒状の金属ライナー部材３ａとドーム状の金属ライナー部材３ｂ、３ｃとは、それぞれの端部をオーバーラップさせた状態で抵抗シーム溶接により接合されている。溶接する際には、金属ライナー３と繊維強化樹脂２と一体化する前に、ドーム状の金属ライナー部材３ｂに形成された貫通孔５を通じて、金属ライナー３の内部に円盤電極を挿入し、金属ライナー３の内周面に対して円盤電極を加圧しながら回動させて溶接を行なっていた。

金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃは薄肉であるため、オーバーラップさせた端部どうしの間にすき間が生じ易く、金属ライナー３が大径化する程、この傾向は顕著になる。したがって、この接合構造ではシール性が不十分になるため、接合した部分の内周面の全周にわたりエポキシ樹脂等のシール材８によって覆うようにしている。

しかしながら、シール材８はタンク１Ａを使用している最中の突発的な原因や、タンク１Ａ内部を洗浄する際に洗浄液の流体圧力等によって剥がれる可能性がある。シール材８が剥がれると、金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃのオーバーラップさせた端部どうしのすき間（図７のＡ部）に収容物が入り込んで滞留する。収容物が腐食性物質である場合には、このすき間でライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃの腐食が生じるという問題がある。

複数の金属部材を接合してタンクを製造する方法としては、金属部材の環状端面どうしを突き合せた状態にして、この突き合せた部分の内周面の全周を覆うように金属製の当て板を配置して、突き合せた部分の外周面を溶接によって接合する方法が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。しかしながら、金属部材の内周面に当て板を配置する方法では、タンク内周面において金属部材と当て板との間にすき間が生じるため、このすき間に腐食性物質が入り込んで滞留すると金属部材や当て板の腐食を生じさせることになる。そのため、このような接合構造は、腐食性物質を収容するタンクには適していなかった。
特開平９−３１４３２５号公報 特開２００１−１４６１８７号公報

本発明の目的は、タンク内面に配置される金属ライナーを構成する金属ライナー部材どうしの継ぎ目のすき間をなくして、金属ライナー部材どうしを接合した部分の腐食性物質による腐食を防止できる金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンクおよびその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明の金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンクは、筒状の金属ライナー部材の両端部にドーム状の金属ライナー部材を接合して形成した金属ライナーと、この金属ライナーの外表面を被覆する繊維強化樹脂とを一体化した金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンクにおいて、前記金属ライナーが、筒状の金属ライナー部材の環状端面とドーム状の金属ライナー部材の環状端面とを突き合せた状態で、この突き合せた部分の外周面の全周を覆うように金属製の当て板を有し、この金属ライナー部材を突き合せた部分がその内周面の全周にわたり、当て板とともに溶接により接合されていることを特徴とするものである。

ここで、前記当て板の厚さを、例えば、突き合せた部分の筒状の金属ライナー部材およびドーム状の金属ライナー部材の厚さの１００〜３００％にする。前記筒状の金属ライナー部材の内径は、例えば、６００ｍｍ〜１２００ｍｍにするとともに、筒状の金属ライナー部材の厚さおよび突き合せた部分のドーム状の金属ライナー部材の厚さは、例えば、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍにする。前記金属ライナーの材質は、例えば、ステンレス鋼、チタン合金またはニッケル合金にする。前記繊維強化樹脂の繊維は、例えば、ガラス繊維または炭素繊維にして、樹脂材料は、例えば、エポキシ系樹脂またはフェノール樹脂にする。

本発明の金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンクの製造方法は、筒状の金属ライナー部材の両端部に、ドーム状の金属ライナー部材を接合して金属ライナーを形成し、この金属ライナーの外表面を樹脂材料を含浸させた繊維で被覆して、含浸させた樹脂材料を硬化させて繊維強化樹脂を形成するとともに、この繊維強化樹脂と前記金属ライナーとを一体化して金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンクを製造する方法において、前記金属ライナーを形成する際に、筒状の金属ライナー部材の環状端面とドーム状の金属ライナー部材の環状端面とを突き合せ、この突き合せた部分の外周面の全周を覆うように金属製の当て板を配置し、筒状の金属ライナー部材の内側からこの突き合せた部分の内周面の全周に対して溶接を行なって、当て板とともに突き合せた金属ライナー部材を接合させることを特徴とするものである。

ここで、前記当て板の厚さを、例えば、突き合せた部分の筒状の金属ライナー部材およびドーム状の金属ライナー部材の厚さの１００〜３００％にする。前記筒状の金属ライナー部材の内径は、例えば、６００ｍｍ〜１２００ｍｍにするとともに、筒状の金属ライナー部材の厚さおよび突き合せた部分のドーム状の金属ライナー部材の厚さは、例えば、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍにする。前記溶接としては、例えば、レーザ溶接を用いる。

本発明によれば、筒状の金属ライナー部材の両端部にドーム状の金属ライナー部材を接合して形成した金属ライナーと、この金属ライナーの外表面を被覆する繊維強化樹脂とを一体化した金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンクの金属ライナーを形成する際に、筒状の金属ライナー部材の環状端面とドーム状の金属ライナー部材の環状端面とを突き合せ、この突き合せた部分の外周面の全周を覆うように金属製の当て板を配置し、筒状の金属ライナー部材の内側からこの突き合せた部分の内周面の全周に対して溶接を行なって、当て板とともに突き合せた金属ライナー部材を接合させることにより、金属ライナーの内周面では、金属ライナー部材どうしの継ぎ目のすき間が溶接ビードにより塞がれる。そのため、タンクに腐食性物質を収容した場合であっても、金属ライナー部材どうしを接合した部分に腐食性物質が入り込むことがなくなり、腐食の発生を防止することができる生じる。また、当て板を用いて溶接されているので、薄肉である金属ライナーであっても、安定して金属ライナー部材どうしのすき間を塞ぐことができる。

以下、本発明の金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンクおよびその製造方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１〜図３に例示するように、本発明の金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンク１（以下、タンク１という）は、金属ライナー３と金属ライナー３の外表面を被覆する繊維強化樹脂２とを一体化して構成されている。

金属ライナー３は、筒状の金属ライナー部材３ａの両端部を塞ぐようにドーム状の金属ライナー部材３ｂ、３ｃを接合して形成されている。この実施形態では、筒軸方向にテーパ状に形成されている円筒状の金属ライナー部材３ａの両端部の環状端面と、半球ドーム状の金属ライナー３ｂ、３ｃの環状端面とが突き合わされた状態で、この突き合せた部分の外周面の全周を覆うように金属製の当て板４が配置されている。筒状の金属ライナー部材３ａは、筒軸方向にフラットな単純な円筒状であってもよい。

そして、筒状の金属ライナー部材３ａと、それぞれのドーム状の金属ライナー部材３ｂ、３ｃとを突き合せた部分が、その内周面の全周にわたり、当て板４とともに溶接により接合されている。したがって、筒状の金属ライナー部材３ａと、それぞれのドーム状の金属ライナー部材３ｂ、３ｃとを突き合せた部分の内周面には、周方向に連続した環状の溶接ビード６が形成されている。この溶接ビードは、突き合わされた金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃと当て板４とが溶融して固化したものであり、突き合せた部分のすき間を埋めるように形成されている。

筒状の金属ライナー部材３ａ、ドーム状の金属ライナー部材３ｂ、３ｃの材質としては、ステンレス鋼、チタン合金、ニッケル合金等を例示することができる。筒状の金属ライナー部材３ａとドーム状の金属ライナー部材３ｂ、３ｃとは異なる材質にすることもできるが、熱膨張性や接合強度等を考慮すると同じ材質にすることが好ましい。

筒状のライナー部材３ａの内径は、例えば、航空機のウェストタンクの場合には、６００ｍｍ〜１２００ｍｍ程度であり、その厚さは０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度となる。また、ドーム状のライナー部材３ｂ、３ｃの厚さも筒状のライナー部材３ａとほぼ同じ０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度であり、特に、突き合わせた部分は、筒状のライナー部材３ａの厚さと同じにすることが好ましい。

金属ライナー３（金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃ）の厚さが０．２ｍｍ以下ではタンク１を製造する際の困難さが増大し、厚さ０．５ｍｍ超では重量が過大になるためである。

当て板４の材質としては、上記したライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃと同様の金属を例示することができる。当て板４の材質は、金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃとは異なる材質にすることもできるが、熱膨張性や接合強度等を考慮すると同じ材質にすることが好ましい。

当て板４の厚さは、突き合せた部分の金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃの厚さと同じ厚さ、或いはそれ以上の厚さにすることが好ましく、例えば、突き合せた部分の金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃの厚さの１００％〜３００％の厚さにする。当て板４の厚さが突き合せた部分の金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃの厚さの１００％未満では、溶接する際に、当て板４の外表面の変形を抑えつつ突き合せた部分のすき間を十分に埋めることが難しく、３００％超では重量が過大になるためである。当て板４の幅は、例えば、２０ｍｍ〜３０ｍｍ程度にする。

金属ライナー３は、収容物の漏出を防止するシール性を確保するために設けられているので薄肉であり、強度、剛性が極めて低い。そこで、金属ライナー３の外周面に配置した繊維強化樹脂２が補強材として機能し、タンク１として十分な強度、剛性を確保するようにしている。

繊維強化樹脂２を構成する繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維等を例示することができる。また、繊維強化樹脂２を構成する樹脂材料としては、エポキシ系樹脂、フェノール樹脂等を例示することができる。

金属ライナー３の内径が６００ｍｍ〜１２００ｍｍ程度のタンク１の場合には、繊維強化樹脂２の厚さは、軽量化および補強効果を考慮すると３ｍｍ〜１５ｍｍ程度になる。

次に、タンク１の製造方法を以下に説明する。
まず、図４に例示するように、筒状の金属ライナー部材３ａの環状端面とドーム状の金属ライナー部材３ｂ、３ｃの環状端面とを突き合せた状態にする。金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃの厚さが０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度であり、筒状の金属ライナー部材３ａの内径が６００ｍｍ以上であると、金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃを精度よく製造していても、突き合せた部分の継ぎ目Ｓには、僅かなすき間が生じ易くなる。

次いで、この突き合せた部分の外周面の全周を覆うように細幅の金属製の当て板４を配置して、その配置した位置からずれないように、金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃの表面に治具等で圧着固定しておく。

次いで、一方のドーム状の金属ライナー部材３ｂに形成された貫通孔５を通じて、レーザー溶接ノズル７を内部に挿入する。尚、金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃには、タンク１に配管を接続するために、適所に複数の貫通孔５が形成される。この貫通孔５は、筒状の金属ライナー部材３ａの筒軸心を通る位置に形成されている。

レーザー溶接装置に接続されたレーザー溶接ノズル７は、可撓性を有する仕様にして、長手方向途中を金属ライナー部材３ａの筒軸心と略直交するように屈曲させる。そして、レーザー溶接ノズル７の先端を継ぎ目Ｓに向けて、溶接が可能な照射距離の範囲に位置決めする。位置決め後、図５に例示するように、継ぎ目Ｓに向かってレーザー光を照射しつつ、レーザー溶接ノズル７を金属ライナー部材３ａの筒軸心を中心にして１回転させる。

このようにして、筒状の金属ライナー部材３ａの内側のみから、突き合せた部分の内周面の全周に対して溶接を行なって、当て板４とともに突き合せた金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃを接合させる。これにより、金属ライナー３の内周面には、筒状の金属ライナー部材３ａとドーム状の金属ライナー部材３ｂ、３ｃとを突き合せた継ぎ目Ｓのすき間に溶接ビード６が形成され、継ぎ目Ｓのすき間が溶接ビード６によって塞がれる。レーザー光は、当て板４の外表面までが溶融して変形しないように照射する。

筒状の金属ライナー部材３ａとドーム状の金属ライナー部材３ｂ、３ｃとを接合して金属ライナー３を形成した後は、金属ライナー３の外表面の全体を樹脂材料を含浸させた繊維で被覆する。次いで、繊維に含浸させた樹脂材料を硬化させて繊維強化樹脂２を形成するとともに、含浸させた樹脂材料によって繊維強化樹脂２と金属ライナー３とを一体化する。繊維強化樹脂２にも金属ライナー３の貫通孔５と同じ位置に貫通孔５が形成される。 これにより、本発明のタンク１が完成する。

本発明のタンク１では、内面に装備された金属ライナー３の内周面には、突き合せた金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃどうしの継ぎ目Ｓのすき間を塞ぐ溶接ビード６が形成される。したがって、金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃの外表面と当て板４の内表面との間にすき間があっても、このすき間と金属ライナー３の内部とは、溶接ビード６によって断絶される。また、溶接ビード６は、従来のタンク１Ａに設けたシール材８のように洗浄液の流体圧力等によって剥がれることもない。

そのため、タンク１に腐食性物質を収容した場合であっても、金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃどうしを接合した部分に腐食性物質が入り込むことがなくなり滞留することもない。したがって、金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃどうしを接合した部分の腐食性物質による腐食の発生を防止することができる。

また、突き合せた金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃどうしが、当て板４を用いて溶接されているので、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の薄肉である金属ライナー３（金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃ）であっても、金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃどうしの継ぎ目Ｓのすき間を安定して塞ぐことができる。

さらに、レーザー溶接を用いることにより、突き合せた金属ライナー部材３ａ、３ｂ、３ｃを当て板４とともに溶接する際に、必要最低限の範囲のみを精度よく溶解させて溶接することができ、溶接による変形が不用意に拡大しないようにすることができる。

また、レーザー溶接ノズル７を筒状の金属ライナー部材３ａの筒軸心を中心にして回転させればよいので、形成する金属ライナー３の内周面に対して、円盤電極を加圧させながら回動させる従来の抵抗シーム溶接に比べて迅速に溶接を行なうことができる。そのため、タンク１（金属ライナー３）の製造に要する時間を短縮することができ、生産性を向上させることが可能になる。

本発明は、航空機のウェストタンク以外に、飲料水用タンク、燃料用タンクに適用することもできる。

本発明のタンクを例示する側面図である。 図１の縦断面図である。 図２の一部拡大図である。 図２の金属ライナーを形成する方法を例示する説明図である。 図４の一部拡大図である。 従来のタンクを例示する縦断面図である。 図６の一部拡大図である。

符号の説明

１ タンク
１Ａ 従来のタンク
２ 繊維強化樹脂
３ 金属ライナー
３ａ 筒状の金属ライナー部材
３ｂ、３ｃ ドーム状の金属ライナー部材
４ 当て板
５ 貫通孔
６ 溶接ビード
７ レーザ溶接ノズル
８ シール材

Claims (9)

1. 筒状の金属ライナー部材の両端部にドーム状の金属ライナー部材を接合して形成した金属ライナーと、この金属ライナーの外表面を被覆する繊維強化樹脂とを一体化した金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンクにおいて、前記金属ライナーが、筒状の金属ライナー部材の環状端面とドーム状の金属ライナー部材の環状端面とを突き合せた状態で、この突き合せた部分の外周面の全周を覆うように金属製の当て板を有し、この金属ライナー部材を突き合せた部分がその内周面の全周にわたり、当て板とともに溶接により接合されている金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンク。
2. 前記当て板の厚さが、突き合せた部分の筒状の金属ライナー部材およびドーム状の金属ライナー部材の厚さの１００〜３００％である請求項１に記載の金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンク。
3. 前記筒状の金属ライナー部材の内径が６００ｍｍ〜１２００ｍｍであるとともに、筒状の金属ライナー部材の厚さおよび突き合せた部分のドーム状の金属ライナー部材の厚さが０．２ｍｍ〜０．５ｍｍである請求項１または２に記載の金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンク。
4. 前記金属ライナーの材質が、ステンレス鋼、チタン合金またはニッケル合金である請求項１〜３のいずれかに記載の金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンク。
5. 前記繊維強化樹脂の繊維がガラス繊維または炭素繊維であり、樹脂材料がエポキシ系樹脂またはフェノール樹脂である請求項１〜４のいずれかに記載の金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンク。
6. 筒状の金属ライナー部材の両端部に、ドーム状の金属ライナー部材を接合して金属ライナーを形成し、この金属ライナーの外表面を樹脂材料を含浸させた繊維で被覆して、含浸させた樹脂材料を硬化させて繊維強化樹脂を形成するとともに、この繊維強化樹脂と前記金属ライナーとを一体化して金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンクを製造する方法において、前記金属ライナーを形成する際に、筒状の金属ライナー部材の環状端面とドーム状の金属ライナー部材の環状端面とを突き合せ、この突き合せた部分の外周面の全周を覆うように金属製の当て板を配置し、筒状の金属ライナー部材の内側からこの突き合せた部分の内周面の全周に対して溶接を行なって、当て板とともに突き合せた金属ライナー部材を接合させる金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンクの製造方法。
7. 前記当て板の厚さを、突き合せた部分の筒状の金属ライナー部材およびドーム状の金属ライナー部材の厚さの１００〜３００％にした請求項６に記載の金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンクの製造方法。
8. 前記筒状の金属ライナー部材の内径を６００ｍｍ〜１２００ｍｍにするとともに、筒状の金属ライナー部材の厚さおよび突き合せた部分のドーム状の金属ライナー部材の厚さを０．２ｍｍ〜０．５ｍｍにする請求項６または７に記載の金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンクの製造方法。
9. 前記溶接として、レーザ溶接を用いる請求項６〜８のいずれかに記載の金属ライナーを内面に備えた繊維強化樹脂補強タンクの製造方法。

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